Как интерпретировать данные с мостовых стоек во время проверок

Введение: Критическая роль данных о напряжении в безопасности мостов

Штаммографы мостов являются одними из самых надежных инструментов для оценки структурной целостности стареющей инфраструктуры. Во время обязательных проверок - будь то двухгодичные регулярные посещения или оценки после событий после землетрясений, наводнений или перегрузки тяжелых грузовиков - эти датчики предоставляют количественные доказательства того, как мост реагирует на реальные силы. Без надлежащей интерпретации, необработанное напряжение или длина волны смещается с датчика остаются бессмысленными числами. Эта статья дает инженерам, инспекционным группам и управляющим активами всеобъемлющую основу для превращения данных тензодатчиков в действенные решения о грузоподъемности, сроке службы усталости и приоритетах ремонта.

Расширяющийся парк мостов с сенсорным оборудованием в Соединенных Штатах, управляемый такими программами, как долгосрочная программа эффективности мостов Федеральной администрации шоссе, делает квалифицированную интерпретацию данных более важной, чем когда-либо. Неправильное восприятие временного всплеска как трещины или устранение медленного ползучего ползунка, который сигнализирует о расчёте фундамента, может привести либо к дорогостоящим ложным сигналам тревоги, либо к пропущенным катастрофическим сбоям. Здесь мы преодолеваем этот разрыв между сбором данных и структурным пониманием.

Основы технологии Strain Gauge для проверок мостов

Как работают тяговые кабели на стальных и бетонных мостах

Штамп-машина преобразует микроскопическое изменение размеров в измеримый электрический сигнал. Наиболее распространенным типом для полевых проверок является датчик скрепленной фольги, который состоит из тонкого металлического рисунка фольги, ламинированного на гибкую подложку. Когда элемент моста деформируется под нагрузкой, фольга растягивается или сжимается, изменяя свое электрическое сопротивление. Схема моста Уитстона усиливает эти изменения сопротивления, производя напряжение, пропорциональное напряжению (микроштамм, με). Для бетонных мостов часто предпочтительны тензодатчики с вибрирующей проволокой из-за их долгосрочной стабильности и иммунитета к влагоиндуцируемому дрейфу. Они работают путем измерения резонансной частоты натянутого провода; по мере того, как бетонные штаммы, напряжение провода изменяется, сдвигая его естественную частоту.

Датчики решётки оптического волокна Bragg (FBG) за последнее десятилетие набрали обороты, предлагая мультиплексные высокоскоростные измерения вдоль одного волокна. Их главное преимущество для мониторинга на уровне парка — это возможность встраивать несколько точек измерения в один кабель, снижая трудоёмкость установки и сложность проводки. Независимо от типа, все тензодатчики требуют тщательной подготовки поверхности, правильного клея или монтажа и защиты окружающей среды для получения данных, которым вы можете доверять.

Факторы установки, которые напрямую влияют на качество данных

Первый шаг в интерпретации - это знание того, где и как был установлен датчик. Критические местоположения - размах балок, около подшипников, на веб-жестких и над колпачками пирса - должны соответствовать целям проверки. Датчик, расположенный на расстоянии 2 дюймов от зоны сварки, покажет различное распределение деформации, чем тот, который расположен непосредственно над зоной, подверженной воздействию тепла. Инженеры должны просматривать записи об установке, включая ориентацию датчика (продольную, поперечную или розетку), температуру поверхности во время склеивания, и то, был ли датчик прикреплен к стали, арматуры или бетонной поверхности. Плохо связанный датчик вводит микро-скальзывание, которое искажает кривую деформации, в то время как датчик на эпоксидном наполнителе может сгибаться при тепловом цикле. Документирование этих условий так же важно, как и сами данные.

Компенсация температуры встроена в большинство современных систем с помощью манекенских датчиков, установленных на несдержанном, термически идентичном образце, или с помощью программной коррекции на основе отдельного датчика температуры.При рассмотрении данных о полевых условиях всегда проверяйте, была ли компенсация активной — некомпенсированные данные могут показывать ежедневные тепловые колебания 200 мкЕ, легко маскируя сигналы сервисной нагрузки 50 мкЕ.

Приобретение и предварительная обработка данных: очистка сигнала

Тарифы отбора проб и требования фильтрации

Данные о напряжении моста делятся на два режима: статический (или квазистатический) от мертвой нагрузки, долгосрочный ползучий и ежедневный температурный циклы и динамический от движения, ветра и сейсмических событий. Типичная система контроля записывает на 10-50 Гц для статических тенденций и 100-200 Гц для динамического анализа. Теория Никвиста диктует, что для захвата вибрации, вызванной грузовиком на 5 Гц, требуется минимальная частота выборки на 10 Гц, но практические запаси прочности толкают это к 20-50 Гц. Для анализа усталости, который подсчитывает каждый цикл напряжения, выборка на 100 Гц или выше рекомендуется избегать псевдонимирования высокочастотных компонентов палубных соединений и подшипников расширения.

Цифровые фильтры нижних частот — Баттерворт или Чебышев — снимают электрический шум (шум 60 Гц от линий электропередач, сварочные помехи) и высокочастотные вибрации окружающей среды. Однако фильтры с агрессивными частотами отсечения также могут ослабить подлинный структурный отклик, особенно при внезапных ударных событиях, таких как колесо, ударяющее о плотину расширения. Наилучшая практика заключается в хранении нефильтрованных сырых данных в качестве резервной копии и применении фильтров во время постобработки с четким указанием типа фильтра и угловой частоты.

Компенсация температуры и коррекция дрейфа

Даже с фиктивными датчиками часто остаются остаточные тепловые эффекты. Коэффициент теплового расширения стали (11,7 × 10−6 / ° C) означает, что изменение температуры на 10 ° C производит примерно 117 мкЕ - сопоставимый с штаммами живой нагрузки от тяжелых грузовиков. Инженеры должны вычесть термически индуцированный компонент, используя либо одновременный температурный рекорд, либо смоделированную линейную регрессию против температуры, если нет прямого измерения. Дрифт, медленный базовый сдвиг в течение дней или недель, обычно возникает из-за ползучего или клеевого разрушения датчика. Нулевое измерение против суточных минимумов (при условии, что мост разгружен в 3 часа ночи) является обычной коррекцией, но этот метод не работает, если остается тепловое напряжение (например, связанный арочный мост). Лучший подход - использовать опорный луч или калибровку с фиксированным концом перед каждой инспекцией.

Интерпретация данных о напряжении при различных условиях нагрузки

Статическая (мертвая нагрузка) против динамической (живая нагрузка)

Деформация мертвой нагрузки представляет собой постоянное напряжение от собственного веса моста, наложенной палубы и постоянных креплений. В стальной балке деформация мертвой нагрузки может составлять 150 мкЕ на среднем пролете. Деформация живой нагрузки, производимая проезжающим грузовиком, может составлять 100-300 мкЕ. Соотношение живой нагрузки к деформации мертвой нагрузки помогает инженерам оценить, приближается ли мост к его резервной емкости. Руководство по оценке AASHTO (MBE) предполагает, что устойчивое увеличение деформации мертвой нагрузки без соответствующих изменений сечения может указывать на потерю сечения от коррозии или трещины.

Когда грузовик пересекает, время-история напряжения показывает характерную закономерность: постепенное увеличение по мере приближения грузовика, пик непосредственно над датчиком и восстановление. Асимметричные пики - выше с одной стороны - могут выявить проблемы распределения нагрузки. Например, если штамм переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего переднего

Термические натяжки и их интерпретационные меры

Термальные деформации доминируют в долгосрочном рекорде. Непрерывный 48-часовой след показывает синусоидальный суточный цикл: пик в 3 часа вечера, корыто в 4 часа утра Для стальных мостов форма следует за температурой воздуха; для бетонных мостов существует временной отставание в 1-3 часа из-за тепловой инерции. При осмотре во время экстремальных тепловых волн обратите внимание на взаимодействие между тепловыми и живыми нагрузками. Верхний фланж коробчатой балки может расширяться относительно дна, вводя вертикальные деформации кривизны, которые добавляют к изгибу, вызванному движением. Если анализ игнорирует эту связь, инспектор может неправильно интерпретировать безопасное напряжение живой нагрузки 200 мкЕ как опасное 350 мкЕ. Отличие теплового от механического деформации требует многоколейной компоновки: установка датчиков на верхних и нижних фланцах; при равномерном изменении температуры оба фланца расширяются одинаково, в то время как изгибание деформирует противоположные признаки. Простое вычитание (верхний минус нижний

Ключевые структурные индикаторы, полученные из данных о штаммах

Нейтральное расположение оси: чувствительная метрика раннего предупреждения

Для стально-бетонной композитной балки теоретическая нейтральная ось (NA) рассчитывается по трансформированным свойствам сечения. Но измерение фактической NA из тензодатчиковых пар, размещенных на верхнем и нижнем фланцах, показывает истинное композитное действие. Если NA смещается вниз относительно конструкции, бетонная палуба может потрескаться или потерять сдвигающее соединение (дебондинг). Сдвиг вверх предполагает непреднамеренное ужесточение (возможно, от наложения). Для мостовых флотов отслеживание NA по последовательным проверкам может отмечать зарождающийся отказ задолго до появления видимых трещин. Изменение 5-10% глубины сечения требует дальнейшего исследования.

Факторы распределения нагрузки и поперечное поведение

Современная конструкция моста предполагает, что несколько балок разделяют нагрузку. Измерители напряжения, размещенные на соседних балках в рамках испытания живой нагрузки, могут измерять фактический коэффициент распределения (DF). Для данного грузовика измерять пиковое напряжение на каждой балке, суммировать их, а затем вычислять фракцию каждой балки. Сравнение измеренных значений DF с значениями кода AASHTO (например, 0,40 для самой внешней внутренней балки в мосту на балке) говорит вам, если палуба эффективно переносит нагрузку. Фактор распределения, который растет с течением времени, скажем, с 0,40 до 0,55, указывает на то, что палуба ухудшилась, возможно, из-за расслоения или отказа сустава. Эта метрика незаменима для решений по оценке нагрузки.

Подсчет цикла усталости и кумулятивный ущерб

Стальные мосты не утомляются задолго до того, как они уступают. Каждый проход грузовика - это один цикл напряжения. Алгоритм подсчета осадков извлекает циклы из случайной истории времени деформации. Для типичного дорожного движения ежедневно в общей сложности 500-2000 циклов в день, но в интенсивно провозимых между штатами можно увидеть 5000 + циклов в день. Кривые конструкции усталости AASHTO (категория A, B, C и т. Д.) обеспечивают допустимые диапазоны напряжения для деталей, таких как сварные отверстия для рукоятки или крепежные крепления. Используя данные о деформации и известную гистограмму циклов против диапазона напряжения, инженеры вычисляют сумму Майнера. Когда эта сумма приближается к 1,0, деталь находится вблизи срока усталости. В тематическом исследовании на мосту Сент-Энтони-Фолс I-35W (Миннесота) после коллапса 2007 года подчеркивалось, что непрерывный мониторинг деформации мог бы отметить усталость, трескающуюся на пластинах гуссета годами ранее.

Передовые методы анализа для интерпретации масштаба флота

Анализ трендов временных рядов и базовый дрейф

Для долгосрочного мониторинга мостового парка необходимо установить базовый уровень. Сбор данных о деформации в течение как минимум двух недель при нормальном движении и экстремальных сезонных температурах. Используйте скользящую среднюю (24-часовое окно) для сглаживания ежедневных колебаний. Положительная тенденция в среднем микронапряжении в течение месяцев указывает на увеличение мертвой нагрузки (например, поглощение воды в бетоне, накопление мусора) или потерю секции. Внезапное прекращение предполагает структурное событие - трещину, поселение поддержки или затор. Многие агентства теперь используют автоматизированные статистические схемы управления процессом (SPC) для оповещения инспекторов, когда дрейф превышает ± 3 сигма от базового уровня.

Модальная форма напряжения для локализации повреждения

Когда мост оборудован плотным массивом тензодатчиков (например, каждые 5 м вдоль балки), формы режима деформации могут точно определять местоположение повреждения. При вибрации окружающей среды естественные частоты и формы режима структуры появляются в ответе на деформацию. Местное снижение жесткости (трещина, потеря составного действия) изменяет кривизну в этом месте. Сравнивая текущую форму режима деформации с неповрежденным исходным уровнем, инженеры могут обнаружить аномалии в пределах нескольких метров. Этот метод, известный как метод модального анализа на основе деформации, более чувствителен, чем методы ускорения для начинающегося повреждения. Он был успешно применен к исследовательской программе инспекции моста FHWA .

С годами данных из парка датчиков, ручная интерпретация становится непрактичной. Надзорные модели обучения (случайные леса, машины опорного вектора) могут классифицировать временные ряды деформации в типы событий: нормальное движение, перегруженный грузовик, сейсмический, тепловой удар. Такие характеристики, как амплитуда пика, время подъема, продолжительность и площадь под кривой, вводятся в модель. После обучения классификатор флаги необычные события, которые требуют человеческого обзора. Например, программа мониторинга структурного здоровья NIST продемонстрировала, что такие модели обнаруживают ранние аномалии деформации, вызванные коррозией, которые традиционные пороги пропускают.

Мосты с поврежденными или замороженными подшипниками переносят нагрузки по-разному. Колея вблизи застрявшего подшипника будет показывать более низкую нагрузку на этот балкер, потому что подшипник сопротивляется движению, вынуждая нагрузку на соседние балки. Это перераспределение может имитировать усиливающий эффект на застрявший балке (низкое напряжение) при перегрузке его соседей. Данные о напряжении из одной точки не могут сказать вам состояние подшипника - вам нужно измерить смещение подшипника или абсолютные движения или иметь колею розетки вокруг подшипника. Руководство по оценке моста AASSHTO дает руководство о том, когда включить состояние подшипника в рейтинг нагрузки.

Для дальнейшего чтения, обратитесь к FHWA Bridge Engineering Portal и AISC Bridge Design Manual для подробных процедур оценки на основе штамма.